“老idea”三维石墨烯复合电极，段镶锋组依旧能发Science

先扯一个题外话。记得几年前，一条新闻“18岁美国姑娘发明充电神器，20秒完成手机充电”^[1]被各种媒体报道。这当然只是一个典型的“标题党”，我们在实验室里吐槽“这不就是一个超级电容器么？”报道中说其能迅速充电，却只字不提能量密度。在储能（主要指锂电和超电）领域，充放电电流密度和电源的比能量密度一直是一对不可调和的矛盾，此消彼长，相爱相杀。

原因说起来很简单。实际商用电池中，活性物质的负载量至少为10 mg/cm²，较厚的电极可以增加电池的整体比能量，却减低了电池内部的离子扩散速度，从而难以实现大电流充放电，也缩短了电池的循环寿命；反之，薄电极能提高电流密度，却降低了比能量。

能量密度 vs. 功率密度。图片来自网络。

不过，近日加州大学洛杉矶分校（UCLA）的段镶锋（Xiangfeng Duan）教授等研究人员在Science 上发表文章，做出了重要的突破。他们设计了一种三维多孔石墨烯/氧化铌（Nb₂O₅）复合物电极结构，不但可以提高电极的负载量，保证能量密度，还能够有效的传输更多电荷，实现超高倍率能量储存，使得制备高负载高性能的电极材料成为可能。该论文共同第一作者为Hongtao Sun和Lin Mei。

两步法制备三维多孔石墨烯/氧化铌（Nb₂O₅）复合材料。图片来源：Science

先来看电极材料的两步法制备过程。氧化石墨烯被分为两部分，一部分用来负载活性物质（如氧化铌Nb₂O₅），另一部分通过氧化刻蚀来造孔。再将两部分石墨烯混合、还原，就可以得到高度互联的三维石墨烯网状结构。三维石墨烯中存在多层次孔，这些大孔和小孔促进了离子的运输和扩散。

三种不同的多孔结构电极示意图。图片来源：Science

由于Nb₂O₅电导率的限制，想要实现高倍率充放电就只能使用薄膜电极或降低负载量（＜2 mg/cm²）。然而研究者设计的三维复合结构为离子和电子传递提供了许多相互交联和相互贯通的捷径：相互交联的石墨烯框架提供了电子传递通道，多层次孔确保了离子扩散速率。同时，复合电极的电性能也超过同类材料。

不同氧化刻蚀时间条件下，复合电极的电性能测试。图片来源：Science

由图表可知，该电极可以在超高倍率条件下充放电，100 C的大电流几乎没有对电极造成任何不可逆的影响。同时，研究者在制备过程中没有添加额外的导电添加剂或粘合剂，因此可以提高整电池的比能量密度。对比于其他商业常用的电极材料，其在高倍率充放电条件下的电性能优势还是非常突出的。

Nb₂O₅复合电极材料容量对比。图片来源：Science

该工作与其他常见商用电极材料的性能比较。图片来源：Science

同一期的Science 上还刊登了中国科学院金属研究所的成会明院士和李峰研究员为该成果撰写了一篇题为"Charge delivery goes the distance"的评论^[2]，高度评价了这一发现，“这种高容量和高电流密度的良好结合前所未见，标志着高性能电极材料在向商用储能器件方向的发展道路上迈出了关键的一步。”

段镶锋教授。图片来源：UCLA

愚窃以为，虽然本文成果离商用推广还有颇多差距，但段镶锋教授课题组立足三维石墨烯复合电极这个“老idea”，从商业电极面临的困难出发，材料设计、原理解释都做得非常漂亮，称得上是储能领域研究论文的典范。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Three-dimensional holey-graphene/niobia composite architectures for ultrahigh-rate energy storage

Science, 2017, 356, 599-604, DOI: 10.1126/science.aam5852

参考资料：

1. http://pic.people.com.cn/n/2013/0521/c1016-21554144.html

2. http://science.sciencemag.org/content/356/6338/582

（本文由小希供稿）

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